小断面隧洞开挖施工方法

李伯昌

(新疆额河建管局，乌鲁木齐830000)

随着社会经济的不断进步，工程建设的快速发展，出现了越来越多的隧洞开挖施工工程。但是，在隧洞开挖施工中，施工企业、施工人员常常会忽视通风、排水、运渣等多方面问题，导致施工周期受到不同程度影响。所以，为了保障施工周期，不影响施工单位的经济利益，确保安全施工，就需要详细制定小断面隧洞开挖施工方法，才能够满足施工需求。

1 工程概况

某水利枢纽位于新疆阿勒泰地区境内，坝址位于河流前山带出山口上游2 km。该水利枢纽工程是牧区草原生态建设工程，是开发土地资源、建立饲草料基地、实现草原生态置换和牧民定居的水源工程。同时兼顾发电等，为综合利用的水利枢纽工程。

发电引水隧洞布置于河床左岸山体中，总长327.1 m。发电洞上平段长78.45 m，采用圆形断面，内径为2.2 m，纵坡i=2/100，钢筋混凝土衬砌厚度为0.3 m。上弯段、斜井及下平洞段采用16 mnR钢内衬，内径2.2 m，厚度14 mm，外包C20混凝土，厚度0.5～0.6 m。上弯段长15.300 m，斜井段长40.729 m，下弯段长15.700 m，下平洞段长176.93 m，纵坡i=1/200。在上平段和下平段各有1 个水平弯段［1］。

2 工程地质与水文地质条件

发电洞洞身段围岩为中泥盆统阿勒泰下亚组花岗片麻岩和少量花岗岩，岩层走向与洞线斜交，交角36°～86°，部分地段对洞壁稳定不利。

洞身段内发育多条断层，均为顺层挤压断层，与洞线斜交，断层破碎带宽0.1～0.4 m，带内碎裂岩、糜棱岩发育，洞室内断层通过处会产生局部掉块。

洞身段上覆岩体厚度12～35 m，在新鲜基岩中通过，出口附近厚度为4 m左右，在弱风化层中通过，围岩以Ⅲ类围岩为主，局部Ⅱ类围岩，稳定条件较好。出口处地下水位位于隧洞顶部以上［2］。

3 小断面隧洞开挖存在的问题

在前50 m的范围内，隧洞开挖基本上能够按照计划中的进度实现，但是在50 m之后，就无法满足设计要求，导致开挖工期被延长，最主要的表现有以下几个方面:

3.1 出渣方面

考虑到本工程采取的是自卸车出转的方式，目前所使用的小型自卸车(农用车辆)无法满足。在车辆使用的2～3个月之后，车辆出现了故障。虽然针对故障作出了一定的调整与修理，但是也常常出现在工作时出现问题的局面，如果在洞内施工中出现了车胎损坏或者是车轴断裂的现象，就必须拖到洞外进行修理，如此就会影响到施工时间。

3.2 通风排烟方面

隧道洞内所排出的烟尘主要是出渣车的尾气和爆破之后的炮烟。在实际的施工操作当中，主要是根据在自卸车上加装尾气过滤装置、做好喷水扑尘的方式。

随着隧洞开挖进尺不断地延长，需要更多的时间来通风排烟。虽然将簧串联通风机不断的设置，但是由于电压下降等诸多方面的影响，导致效果一直打不到理想状态，越是施工进行到后期，通风排烟所需要的时间越长，占据开挖循环的比例也就越大，给施工周期带来了影响［3］。

3.3 涧内动力电源电压方面

随着洞挖进尺不断地延长，洞内的电压也会呈现出下降趋势。如果前期电缆所架设的断面过小。等待隧道开挖到后期时，就会出现明显的电压不足的现象，导致电焊机、水泵等设备都不能够正常的启动，如果进行电缆的更换，就会耽误整个施工周期，造成不必要的浪费出现。

4 通风、排水布置

4.1 通风布置

由于存在2个水平弯段，通风时间延长。由出口进入主洞斜井段施工区，上下游主洞高差逐步加大，烟尘会向上游主洞汇集，不能有效地流向出口方向。根据上述分析，具体通风布置如下:

采用2×55 kW轴流通风机将新鲜空气压入洞内掌子面，将洞内油烟和粉尘通过隧洞顶部排出洞外;斜井段施工时，洞内架设一台风机，“抽”“送”结合通风排烟。

4.2 排水布置

由于出口及下平段洞顶高程低于地下水位，在出口外围设置围堰挡水，使河水不致倒灌。同时在出口设置集水井，采用55KW离心泵强排降低水位至开挖底高程以下。洞内施工时，局部有水部位设置集水坑并用7.5KW小水泵将水抽出洞外。

5 开挖施工方法

开挖工艺流程如下:

施工准备→测量放线→钻孔→装药爆破→通风散烟除尘→排险→出渣清底→视围岩情况支护→延伸风水电线路，进入下一循环

5.1 施工测量方法

5.1.1 平面控制网

对甲方提供的有关的测量资料、数据及测量基准点(线)，认真进行复核，校验测量基准点(线)的精度，确保测量资料和数据的准确性，利用经核验过的测量基准点，对施工段进行施工平面控制网点的布设，并对所布设的控制网进行外业施测及内业平差计算，分析控制网的精度，报监理工程师批复。

在施工过程中，结合施工需要和现场施工条件，对所布设的控制网点进行加密，其精度满足施工规范要求。

5.1.2 隧洞测量

根据检测后的基准点，设计布置隧洞工程的施工控制网采用两级导线控制:基本导线用于贯通测量，二级导线用于施工放样，本标段测量采用(南方)NTS-322型全站仪，测角精度2"，测距精度±(2 mm+2pp m)D。

根据《水利水电工程施工测量规范》施工测量主要精度指标有:隧洞横向贯通中误差为±50 mm，纵向贯通中误差为±100 mm，高程贯通中误差为全±25 mm。基本导线主要指标为:导线边长200 m，测角中误差±2.5秒(2"全站仪6个测回)，边长相对中误差1∶15000。

开挖放样以导线标定的轴线为依据，采用全站仪标定开挖中线，每次爆破后标定中心、腰线并画出开挖轮廓线。

高程控制采用四等水准，洞内水准标石与基本导线点标石合一。隧洞贯通后及时进行贯通测量，进行贯通误差调整与分配。

5.2 开挖顺序

由进出口2个工作面掘进，进口工作面施工至上平段结束，出口工作面负责下平段、下弯段、斜井段、上弯段施工，其中斜井段采用从下向上开挖。

5.3 钻爆作业

5.3.1 钻爆设计

根据工程地质条件和现场施工条件，按照全断面进行光面爆破设计。中心楔型掏槽，周边光面爆破，断面一次成型。

5.3.2 炮眼布置

采用YT—28手风钻造孔，炮眼直径42 mm，周边孔间距0.45 m，掏槽孔间距0.7 m，辅助孔间距0.9 m，钻孔深度2.0 m，单循环进尺1.8 m。

5.3.3 装药结构

周边孔用d=25 mm乳化药卷，导爆索贯穿全孔，不偶合间隔装药;装药线密度300～400 g，其它孔药卷直径d=32 mm，为硝铵膨化炸药不偶合连续装药，装药单耗1.5 kg/m3。

5.3.4 起爆方式

非电毫秒雷管引爆;传爆网络采用双捆联非电毫秒雷管;击发用电雷管，Gm—100S起爆器起爆。

5.4 出渣作业

因受断面的限制，无法使用大型挖装机械，出渣方法采用小型扒渣机装车，小型农用三轮车倒运出渣，人工配合清理。

5.5 施工效率分析

发电引水隧洞开挖，作为小断面隧洞全断面掘进，每延米工程量很小，正常应该是每天完成两循环，进尺3.5～4 m，每月完成110 m进尺。而实际每天只能完成1个循环，进尺1.8 m左右(弯段只有1.5 m)，每月正常情况下仅能完成45～55 m进尺。主要原因分析如下:

1)隧洞断面太小，只能使用小型农运运渣并且需人力配合扒渣，出渣效率底。

2)隧洞不仅有斜井段上下2个弯段，在上平段和下平段各有1个水平弯段。为保证开挖轴线和开挖尺寸，避免较大的超欠挖现象出现，只能采取缩减钻孔深度、调整钻孔方向和装药量来控制，使进尺减小。

3)由于紧邻大坝施工区，爆破时间受到限制，必须按时爆破作业，客观降低了开挖进度。

6 总结

1)小断面隧洞爆破施工:小断面隧洞开挖爆破施工，因临空面相对较小，如控制不好，就会形成大面积的超欠挖或者是炮眼利用率低，单循环进尺短，直接影响到施工成本和经济效益。应通过爆破试验，分围岩地质条件类别确定钻爆参数，并根据地质变化情况随时调整，以期达到最佳爆破效果。

2)小断面隧洞出渣:因受断面的限制，小断面隧洞出渣无法使用大型挖装机械，怎样将洞渣快速运出洞外是施工中的最大难题，并且直接影响到施工进度。选择有效地的出渣设备和合适的出渣方法是关键。

3)小断面隧洞测量控制:对于弯道较多的隧洞，为保证开挖轴线和开挖尺寸，避免大的超欠挖现象出现，特别是有压钢管衬砌洞段，测量控制很关键，应及时复核纠偏。必要时弯道段应缩减爆破进尺以保证轴线偏差符合规范要求并且开挖尺寸不小于设计轮廓线。

［1］蔡葆廉，徐承祥，陈剑.水工长隧洞小断面开挖爆破施工技术［J］.福建建筑，2010(03):37-38.

［2］吴智囊.增大小断面隧洞开挖单循环进尺探讨［J］.水利科技，2008(02):43-44.

［3］赵志义，张银瑞.小断面隧洞软岩层施工钢木拱架管棚超前支护施工技术［J］.农业科技与信息，2010(22):49-50.